Анализ путей увеличения размеров зоны обслуживания современных мобильных систем связи

Современные технологии систем мобильной связи базируются на использовании нижней части УКВ диапазона частот, включающего метровые, дециметровые волны и сантиметровые волны (30 МГц ÷ 30 ГГц). Это позволяет применять высокие скорости передачи информации, высокоэффективные малоразмерные антенны, реализовать миниатюрные абонентские радиостанции. Наблюдаемая в настоящее время тенденция уменьшения площади зоны обслуживания базовых станций сотовых систем связи, обусловлена в первую очередь необходимостью экономии частотного ресурса, а также, обеспечения высокой надежности связи при использовании маломощных передатчиков абонентских радиостанций в условиях многоэтажной застройки современного города. Затраты на большее число базовых станций на территориях с высокой концентрацией населения окупаются за счет большого числа абонентов.

Для территорий с низкой плотностью абонентов (сельской местности, удаленных и труднодоступных районов) по-прежнему актуальна задача увеличения площади зоны обслуживания базовой станции, т.к. содержание базовых станций с малым числом абонентов в зонах обслуживания приводит к неоправданно большим затратам. Для систем мобильной связи, использующих рабочие частоты УКВ диапазона, средой распространения (между базовой и абонентской станциями) является нижняя часть тропосферы, которая в непосредственной близости от земли характеризуется постоянством параметров диэлектрической проницаемости и удельной проводимости, при этом приземный слой тропосферы практически не оказывает влияния на прямолинейность коротких трасс радиосвязи [58]. Таким образом, максимальный радиус зоны обслуживания указанных систем связи определяется расстоянием прямой видимости и может быть определен из выражения [26, 40]:

где r₀ - максимальный радиус зоны обслуживания, [км]; h₁ - высота поднятия антенны базовой станции, [м]; h₂ - высота поднятия антенны абонентской станции, [м].

На рис. 1.1 представлены графики зависимости необходимой высоты антенны базовой станции h₁ для обеспечения заданного значения r₀ при заданных высотах антенн абонентской станции: h₂ = 2 м для носимой радиостанции (кривая 1), h₂ = 5 м для мобильной радиостанции в грузовом автомобиле (кривая 2) и h₂ = 20 м для стационарной абонентской радиостанции (кривая 3).

	Рис. 1.1. Зависимость требуемой высоты антенны базовой станции от радиуса зоны обслуживания

 

Из рис. 1.1 видно, что для обеспечения условий прямой видимости, при которых становится возможной связь с мобильными абонентами на расстоянии 50 км, необходимо поднять антенну базовой станции на высоту 130 ÷ 160 м. Подъём антенн на такую высоту требует возведения специальных дорогостоящих стационарных сооружений (вышек, башен). Так расположение антенн базовой станции на останкинской телевышке позволяет обеспечить радиус зоны обслуживания до 80 км, что подтверждено экспериментально. Для мобильного исполнения базовой станции высота легких антенных мачт ограничена величиной 20 ÷ 25 м, что ограничивает радиус зоны (для h₂ = 2 ÷ 20 м) обслуживания до 23 ÷ 34 км.

В последнее время в России, Европе, США и Японии прорабатываются концепции использования аэростатной техники в качестве высотных платформ (HAPs – High Altitude Platforms) для обеспечения высотного положения передатчиков и антенн базовых станций [18]. Применяются три технологии [123] для разработки высотных платформ для организации региональных беспроводных корпоративных сетей: стратосферные дирижабли, размещение базовых станций на пилотируемых или беспилотных самолётах и применение привязных аэростатов. Стратосферные дирижабли длиной порядка 200 м поднимаются на высоту от 15 до 25 км. Наряду с несомненным преимуществом (большая зона покрытия, позволяющая реализовать глобальные сети) данной технологии присущ целый ряд недостатков: длительные сроки разработки, высокая стоимость (десятки миллиардов долларов), проблемы с удержанием станции и стабилизацией положения, эксплуатационные проблемы. Кроме того, высотных аэростатов, способных удерживать стабильное положение в пространстве, пока нет.

При размещении базовых станций на беспилотных самолетах применяют малые самолёты с размахом крыльев не более 10 м и весом полезной нагрузки – не более 100 кг, снабжаемые обычно энергией от солнечных батарей. Основной проблемой является необходимость накапливать энергию для работы в ночное время.

Применение привязных аэростатов – наиболее дешевая технология из перечисленных. Привязной трос позволяет легко подавать питание и данные на станцию. Типичная длина троса – от 1 км до 4 км. Основной проблемой является зависимость технологии от авиатрафика, т.е. использование её возможно, если рабочие высоты свободны от полётов.

В табл. 1.1 представлены предельные радиусы зон обслуживания для каждой из перечисленных технологий.

Таблица 1.1

Тип высотной платформы	Высота подъёма	Радиус зоны обслуживания
Стратосферные дирижабли	15 – 25 км	437 км – 565 км
Беспилотные самолеты	5 км	252 км
Привязные аэростаты	1 км – 4 км	112 км – 252 км

 

Использование высотных платформ является дорогостоящим вариантом решения задачи, требующим дополнительной техники и специально обученного персонала. Кроме того, такой вариант военной беспроводной системы связи обладает низкой живучестью, т.к. летательные аппараты легко физически уничтожаемы.

Таким образом, УКВ системы и сети связи обладают целым рядом существенных недостатков:

1. Для обеспечения достаточно большого радиуса действия УКВ транкинговой сети связи необходимо, чтобы базовая радиостанция имела высоко поднятую антенну.

2. Развертывание антенны требует значительных затрат времени и наличия обученного персонала.

3. Необходимость высоко поднятой антенны лишает базовую радиостанцию такого важного свойства, как мобильность, т. е. базовая радиостанция не имеет возможности обеспечивать работу сети связи во время собственного движения.

4. В военных мониторинговых системах высоко поднятая антенна демаскирует местоположение базовой радиостанции.

5. Невозможность связи в гористой местности при отсутствии прямой видимости между корреспондентом и базовой радиостанцией.

6. Мобильность УКВ базовой радиостанции и высокоподнятой антенны может быть достигнута лишь дорогостоящим образом – размещением базовой радиостанции на летательном аппарате, например, на вертолете или беспилотном летательном объекте. Этот вариант военной транкинговой системы связи обладает низкой живучестью, т.к. летательные аппараты легко физически уничтожаемы.

Другим вариантом организации зоновой связи с большим радиусом зоны обслуживания может быть снижение несущих частот в область промежуточных и средних волн, которые способны распространяться за пределы горизонта за счет явления дифракции. В работах [5, 26, 94] показано, что сигнал в области промежуточных и средних волн может распространяться поверхностной волной за счет процессов дифракции на сотни км, при этом ослабление сигнала зависит от вида подстилающей поверхности и рабочей частоты. В работах [9, 93] предложено для увеличения радиуса зоны обслуживания зоновой системы связи использовать рабочие частоты ГКМ-ДКМ диапазонов. Наиболее эффективной для этого областью частот, как будет показано ниже, является область промежуточных частот, на границе диапазонов средних и высоких частот (СЧ и ВЧ) ориентировочно 1,5 ÷ 4 МГц. Этот диапазон радиоволн используется геологами в горных районах и различными службами, функционирующими в удаленной от городской черты местности.

Задачей данной работы является исследование методов построения СВ каналов связи для корпоративных систем связи с мобильной базовой станцией, обеспечивающих увеличенную зону обслуживания.

Далее в данной главе рассматривается методика расчета максимальной дальности радиосвязи, обеспечиваемой системой радиосвязи при работе поверхностной волной в диапазоне средних и промежуточных (СВ-КВ) радиоволн, с учетом мощности передатчика, характеристик приемной и передающей антенн, вида используемого для связи сигнала, рабочей частоты, вида и уровня шумов, характеристик подстилающей поверхности. Представлены оценки максимальной дальности радиосвязи, полученные расчетным путем на базе разработанного алгоритма (методики) расчета.

Сведение в единый алгоритм различных способов решения частных задач, заимствованных из работ [26, 34, 62, 69, 83, 84, 94, 122 и др.], позволяет осуществлять комплексный учёт различных факторов, влияющих на анализируемые параметры системы. В частности дать ответ на вопрос о возможности использования в системе различных, прежде всего малогабаритных, антенн, оценить работоспособность системы при различных уровнях шумов и пр. Рассмотрено влияние ионосферной волны на предельную дальность связи, обеспечиваемую системой радиосвязи при работе поверхностной волной [30, 113]. Приводится анализ результатов трассовых испытаний по определению максимальной дальности связи и сравнение с полученными теоретическими оценками.

Предлагаемая ниже методика расчёта максимальной дальности радиосвязи, обеспечиваемая поверхностной волной СВ и КВ диапазонов в транкинговой системе связи, первоначально изложена в работах автора [114, 115].

Укрупненно алгоритм расчета может быть представлен в виде:

· определение напряженности поля сигнала в точке приема с учетом характеристик передатчика (рабочая частота, мощность), передающей антенны (к.п.д., к.н.д.), характеристик почвы (диэлектрическая проницаемость, проводимость);

· определение мощности сигнала на входе приемника, с учетом характеристик приемной антенны (к.п.д., к.н.д.);

· определение мощности шума на входе приемника с учетом характеристик приемной антенны, коэффициентов внешних и внутренних шумов;

· вычисление отношения сигнал/помеха на различных удалениях от передатчика;

· определение расстояния, для которого вычисленное значение отношения сигнал/шум равно известному минимальному (пороговому) значению, при котором еще обеспечивается связь с заданным уровнем достоверности приема. Найденное расстояние и является максимальной дальностью, при которой связь обеспечивается с заданной надёжностью при заданной достоверности.